Matavimai, kaip nustatyti Hablo konstantą: Įtampa

Μετρήσεις, πώς να προσδιορίσετε τη σταθερά του Hubble: Τάση

Ασυμφωνίες μεταξύ τοπικών και πρώιμων μετρήσεων του Σύμπαντος, που εγείρουν νέα κοσμολογικά ερωτήματα

Γιατί H0 σημαντικό

Η σταθερά Hubble (H0) περιγράφει την τρέχουσα ταχύτητα διαστολής του Σύμπαντος, συνήθως εκφραζόμενη σε χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο ανά μεγαπαρσέκ (km/s/Mpc). Η ακριβής εκτίμηση του H0 στην κοσμολογία είναι πολύ σημαντική, επειδή:

  1. Δείχνει την ηλικία του Σύμπαντος, αν εξωραΐσουμε την επέκταση προς τα πίσω στο χρόνο.
  2. Βαθμονομεί την κλίμακα αποστάσεων για άλλες κοσμικές μετρήσεις.
  3. Βοηθά στην επίλυση αμφισημιών των κοσμολογικών παραμέτρων (π.χ. πυκνότητα ύλης, παράμετροι σκοτεινής ενέργειας).

Παραδοσιακά οι αστρονόμοι μετρούν το H0 με δύο διαφορετικούς τρόπους:

  • Τοπική μέθοδος (κλίμακες αποστάσεων): Ξεκινώντας από την παράλλαξη για Cepheid ή TRGB (κορυφή ερυθρών γιγάντων), στη συνέχεια χρησιμοποιούνται υπερκαινοφανείς τύπου Ι. Έτσι προκύπτει ο άμεσος ρυθμός διαστολής στο σχετικά κοντινό Σύμπαν.
  • Μέθοδος Πρώιμου Σύμπαντος: Το H0 εξάγεται από δεδομένα κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου (ΚΟΣ) σύμφωνα με επιλεγμένο κοσμολογικό μοντέλο (ΛCDM) και βαρυονικές ακουστικές ταλαντώσεις (BAO) ή άλλους περιορισμούς.

Τα τελευταία χρόνια αυτές οι δύο μέθοδοι δίνουν σημαντικά διαφορετικές τιμές για το H0: υψηλότερη (~73–75 km/s/Mpc) από την τοπική μέθοδο και χαμηλότερη (~67–68 km/s/Mpc) από υπολογισμούς βασισμένους στο ΚΟΣ. Αυτή η ασυμφωνία, γνωστή ως «ένταση του Hubble», υποδηλώνει είτε νέα φυσική πέρα από το τυπικό μοντέλο ΛCDM, είτε αδιευκρίνιστες συστηματικές αποκλίσεις σε μία ή και στις δύο μεθόδους.

2. Τοπική Κλίμακα Αποστάσεων: Με Βάση τα Στάδια

2.1 Παράλλαξη και Βαθμονόμηση

Η βάση της τοπικής κλίμακας αποστάσεων είναι η παράλλαξη (τριγωνομετρική) για κοντινά φωτεινά αντικείμενα (αποστολή Gaia, παράλλαξη HST για Cepheid κ.ά.). Η παράλλαξη καθορίζει την απόλυτη κλίμακα για τέτοια πρότυπα φωτεινά αντικείμενα όπως οι μεταβλητοί αστέρες Cepheid, που έχουν καλά περιγραφόμενη σχέση περιόδου-φωτεινότητας.

2.2 Cepheid και TRGB

  • Μεταβλητοί αστέρες Cepheid: Το βασικό στάδιο για την βαθμονόμηση απομακρυσμένων δεικτών, όπως οι υπερκαινοφανείς τύπου Ι. Οι Freedman και Madore, Riess και άλλοι (ομάδα SHoES) βελτίωσαν την τοπική βαθμονόμηση των Cepheid.
  • Η κορυφή των ερυθρών γιγάντων (TRGB): Μια άλλη μέθοδος που εκμεταλλεύεται τη φωτεινότητα των αστεριών ερυθρών γιγάντων κατά την ανάφλεξη του ηλίου (σε πληθυσμούς φτωχούς σε μέταλλα). Η ομάδα Carnegie–Chicago (Freedman και άλλοι) πέτυχε ακρίβεια ~1 % σε ορισμένους τοπικούς γαλαξίες, παρέχοντας εναλλακτική λύση στους Cepheid.

2.3 Υπερκαινοφανείς Τύπου Ι

Όταν οι Cepheid (ή TRGB) σε γαλαξίες γίνονται σημεία αναφοράς για τον προσδιορισμό της φωτεινότητας των υπερκαινοφανών, οι υπερκαινοφανείς μπορούν να παρατηρηθούν σε αποστάσεις εκατοντάδων Mpc. Συγκρίνοντας τη μετρούμενη φωτεινότητα της υπερκαινοφανούς με την προκύπτουσα απόλυτη φωτεινότητα, προκύπτει η απόσταση. Συνδυάζοντας την μετατόπιση προς το ερυθρό και την απόσταση, τοπικά εξάγεται το H0.

2.4 Τοπικές Μετρήσεις

Riess και άλλοι (SHoES) συχνά καθορίζουν το H0 ≈ 73–74 km/s/Mpc (σφάλμα ~1,0–1,5%). Freedman και άλλοι (TRGB) βρίσκουν ~69–71 km/s/Mpc – λίγο λιγότερο από τον Riess, αλλά ακόμα υψηλότερα από το Planck ~67. Έτσι, αν και οι τοπικές μετρήσεις διαφέρουν ελαφρώς, συνήθως συγκεντρώνονται στην περιοχή 70–74 km/s/Mpc – πάνω από το ~67 του Planck.

3. Μέθοδος πρώιμου Σύμπαντος (CMB)

3.1 Μοντέλο ΛCDM και CMB

Κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου (CMB), μετρημένη από WMAP ή Planck, σύμφωνα με το πρότυπο ΛCDM κοσμολογικό μοντέλο, επιτρέπει τον προσδιορισμό της κλίμακας των ακουστικών κορυφών και άλλων παραμέτρων. Από την προσαρμογή του φάσματος ισχύος του CMB προκύπτουν οι τιμές Ωb h², Ωc h² και άλλες. Συνδυάζοντάς τες με την υπόθεση επίπεδης γεωμετρίας και δεδομένα BAO ή άλλα, εξάγεται η H0.

3.2 Μέτρηση του Planck

Τα τελικά δεδομένα της συνεργασίας Planck συνήθως δείχνουν H0 = 67,4 ± 0,5 km/s/Mpc (ανάλογα με τα μέσα), περίπου 5–6σ χαμηλότερα από τις τοπικές μετρήσεις SHoES. Αυτή η διαφορά, γνωστή ως ένταση Hubble, είναι περίπου 5σ, υποδεικνύοντας ότι είναι απίθανο να είναι τυχαία απόκλιση.

3.3 Γιατί αυτή η ασυμφωνία είναι σημαντική

Εάν το πρότυπο ΛCDM είναι σωστό και τα δεδομένα του Planck αξιόπιστα, τότε η τοπική μέθοδος σκαλοπατιών πρέπει να περιέχει άγνωστη συστηματική. Διαφορετικά, αν οι τοπικές αποστάσεις είναι σωστές, ίσως το πρώιμο μοντέλο του Σύμπαντος είναι ατελές – νέα φυσική θα μπορούσε να επηρεάσει την κοσμική επέκταση ή να υπάρχουν επιπλέον σχετικιστικά σωματίδια ή πρώιμη σκοτεινή ενέργεια που αλλάζουν την εκτιμώμενη H0.

4. Πιθανές αιτίες της ασυμφωνίας

4.1 Συστηματικά σφάλματα στη μέθοδο των σκαλοπατιών;

Υπάρχει υποψία αν στην καλιμπράρισμα των κεφαλαίων Cepheid ή στη φωτομετρία των υπερκαινοφανών έχει παραμείνει ανεπίλυτο σφάλμα – π.χ., επίδραση μεταλλικότητας στους Cepheid, τοπική διόρθωση ροής ή μεροληψία επιλογής. Ωστόσο, η ισχυρή συμφωνία μεταξύ πολλών ομάδων μειώνει την πιθανότητα μεγάλου σφάλματος. Οι μέθοδοι TRGB επίσης δίνουν ελαφρώς υψηλότερη τιμή H0, αν και λίγο χαμηλότερη από αυτή των Cepheid, αλλά πάντα υψηλότερη από το αποτέλεσμα του Planck.

4.2 Ανεπίλυτες συστηματικές του CMB ή του ΛCDM;

Μια άλλη πιθανότητα – στην ερμηνεία του Planck CMB λείπει ένα σημαντικό στοιχείο, π.χ.:

  • Επεκταμένα χαρακτηριστικά των νετρίνων ή επιπλέον σχετικιστικά σωματίδια (Neff).
  • Πρώιμη σκοτεινή ενέργεια κοντά στην ανασύνδεση.
  • Καμπυλότητα ή χρονικά μεταβαλλόμενη σκοτεινή ενέργεια.

Το Planck δεν δείχνει σαφή σημάδια γι' αυτό, αλλά σε ορισμένα επεκταμένα μοντέλα υπάρχουν μικρές ενδείξεις. Μέχρι στιγμής, καμία λύση δεν εξαλείφει πλήρως την ένταση χωρίς πρόσθετες ανωμαλίες ή αυξημένη πολυπλοκότητα.

4.3 Υπάρχουν δύο διαφορετικές τιμές της σταθεράς του Hubble;

Και προτείνεται ότι η επέκταση του Σύμπαντος σε χαμηλό κόκκινο μετατόπιση μπορεί να διαφέρει από τον παγκόσμιο μέσο όρο, εάν υπάρχουν μεγάλες τοπικές δομές ή ανομοιογένειες (γνωστές ως «φούσκα Hubble»). Ωστόσο, μετρήσεις από διάφορες κατευθύνσεις, άλλες κοσμικές κλίμακες και η γενική αρχή ομοιογένειας δείχνουν ότι ένα σημαντικό τοπικό κενό ή περιβάλλον δύσκολα θα εξηγούσε αυτήν την ένταση.

5. Προσπάθειες για την Επίλυση της Έντασης

5.1 Ανεξάρτητες Μέθοδοι

Οι ερευνητές ελέγχουν εναλλακτικές τοπικές βαθμονομήσεις:

  • Μάσερ σε μεγαμάσερ γαλαξίες (π.χ. NGC 4258) ως άγκυρα αποστάσεων supernova.
  • Καθυστερήσεις χρόνου ισχυρού βαρυτικού φακού (H0LiCOW, TDCOSMO).
  • Διακυμάνσεις φωτεινότητας επιφάνειας σε ελλειπτικούς γαλαξίες.

Μέχρι τώρα αυτές οι μέθοδοι συνήθως δείχνουν H0 τιμές στο εύρος «υψηλών 60s – χαμηλών 70s», όχι πάντα ταυτόσημες, αλλά συνήθως μεγαλύτερες από 67. Δηλαδή, δεν υπάρχει μία ανεξάρτητη μέθοδος που να διαλύει πλήρως την ένταση.

5.2 Περισσότερα Δεδομένα από DES, DESI, Euclid

BAO μετρήσεις σε διαφορετικά κόκκινα μετατοπίσεις επιτρέπουν την ανακατασκευή του H(z) και τον έλεγχο για αποκλίσεις από το ΛCDM από z = 1100 (εποχή CMB) έως z = 0. Αν οι παρατηρήσεις δείξουν κόκκινο μετατόπιση όπου το τοπικό H0 είναι μεγαλύτερο, ταυτόχρονα με συμφωνία με το Planck σε μεγάλο z, αυτό θα μπορούσε να υποδηλώνει νέα φυσική (π.χ. πρώιμη σκοτεινή ενέργεια). Το DESI στοχεύει σε ακρίβεια μέτρησης αποστάσεων ~1% σε πολλαπλές κόκκινες μετατοπίσεις, που μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση της κοσμικής επέκτασης.

5.3 Επόμενης Γενιάς Σκάλα Αποστάσεων

Οι τοπικές ομάδες συνεχίζουν να βελτιώνουν την βαθμονόμηση παραλλαξιών χρησιμοποιώντας δεδομένα Gaia, βελτιώνουν το μηδενικό σημείο των Cepheid και επανεξετάζουν συστηματικά σφάλματα στη φωτομετρία των supernovae. Αν η ένταση παραμείνει με μικρότερα σφάλματα, η πιθανότητα νέας φυσικής πέρα από το μοντέλο ΛCDM αυξάνεται. Αν η ένταση εξαφανιστεί – αυτό θα επιβεβαιώσει τη σταθερότητα του ΛCDM.

6. Τιμή για την Κοσμολογία

6.1 Αν το Planck είναι Σωστό (Μικρό H0)

Μικρό H0 ≈ 67 km/s/Mpc συμφωνεί με το πρότυπο ΛCDM από z = 1100 έως σήμερα. Τότε οι τοπικές μέθοδοι κλιμάκωσης θα ήταν συστηματικά λανθασμένες, ή ζούμε σε μια ασυνήθιστη τοποθεσία. Αυτό το σενάριο δείχνει ηλικία του Σύμπαντος περίπου 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, και οι προβλέψεις για τη δομή σε μεγάλη κλίμακα συμφωνούν με δεδομένα συσσωρεύσεων γαλαξιών, BAO και βαρυτικού φακού.

6.2 Αν η Τοπική Σκάλα είναι Σωστή (Μεγάλο H0)

Αν H0 ≈ 73 θα επιβεβαιώνονταν, τότε η ερμηνεία του μοντέλου Planck \(\Lambda\)CDM είναι ελλιπής. Μπορεί να χρειαστεί:

  • Επιπλέον πρώιμη σκοτεινή ενέργεια, που προσωρινά επιτάχυνε την επέκταση μέχρι την ανασύνδεση και έτσι αλλάζει τις γωνίες των κορυφών, με αποτέλεσμα η τιμή H0 που προκύπτει από το Planck να είναι μειωμένη.
  • Περισσότεροι βαθμοί ελευθερίας σχετικιστικής φύσης ή νέα φυσική νετρίνων.
  • Απόκλιση από την υπόθεση ότι το Σύμπαν είναι επίπεδο και περιγράφεται αυστηρά μόνο από το \(\Lambda\)CDM.

Μια τέτοια νέα φυσική θα μπορούσε να λύσει την ένταση, αν και θα απαιτούσε πιο σύνθετο μοντέλο. Αυτό μπορεί να ελεγχθεί με άλλα δεδομένα (φακός ΚΟΣ, δείκτες ανάπτυξης δομών, νουκλεοσύνθεση).

6.3 Προοπτικές για το Μέλλον

Η ένταση ενθαρρύνει νέους διασταυρωτικούς ελέγχους. Μελέτες του CMB-S4 ή επόμενης γενιάς κοσμικού μικροκυματικού υποβάθρου μπορούν να ελέγξουν αν η ανάπτυξη δομών συμφωνεί με υψηλή ή χαμηλή H0. Αν η ένταση παραμείνει στο επίπεδο ~5σ, θα είναι ισχυρή ένδειξη ότι το πρότυπο πρέπει να επεκταθεί. Θεωρητικές προόδους ή νέες ανακαλύψεις σφαλμάτων θα μπορούσαν τελικά να λύσουν οριστικά το ζήτημα.

7. Συμπέρασμα

Η μέτρηση της σταθεράς του Hubble (H0) είναι ο κοσμολογικός πυρήνας που συνδέει τις τοπικές παρατηρήσεις διαστολής με τα μοντέλα του πρώιμου Σύμπαντος. Οι τρέχουσες μέθοδοι δίνουν δύο διαφορετικές τιμές:

  1. Τοπική σκάλα αποστάσεων (χρησιμοποιώντας Cepheids, TRGB, υπερκαινοφανείς) συνήθως δείχνει H0 ≈ 73 km/s/Mpc.
  2. ΛCDM βασισμένο σε ΚΟΣ, εφαρμόζοντας δεδομένα Planck, δίνει H0 ≈ 67 km/s/Mpc.

Αυτή η «ένταση Hubble», περίπου στο επίπεδο σημαντικότητας 5σ, υποδηλώνει άγνωστα συστηματικά σφάλματα σε κάποια μέθοδο ή νέα φυσική πέρα από το συνηθισμένο ΛCDM. Συνεχίζονται βελτιώσεις σε παραλλαξία (Gaia), μηδενικό σημείο υπερκαινοφανών, καθυστερήσεις φακού και BAO υψηλού ερυθρού μετατόπισης που ελέγχουν όλες τις υποθέσεις. Αν η ένταση παραμείνει, μπορεί να υποδηλώνει εξωτικές λύσεις (πρώιμη σκοτεινή ενέργεια, επιπλέον νετρίνα κ.ά.). Αν η ένταση μειωθεί, θα επιβεβαιώσουμε τη σταθερότητα του ΛCDM.

Κάθε σενάριο επηρεάζει έντονα την κοσμική μας ιστορία. Η ένταση ενθαρρύνει νέες παρατηρησιακές εκστρατείες (DESI, Euclid, Roman, CMB-S4) και προηγμένα θεωρητικά μοντέλα, υπογραμμίζοντας τη δυναμική της σύγχρονης κοσμολογίας – όπου ακριβή δεδομένα και μακροχρόνιες ασυμφωνίες μας οδηγούν στην προσπάθεια να ενώσουμε το πρώιμο και το σύγχρονο Σύμπαν σε μια ολοκληρωμένη εικόνα.

Βιβλιογραφία και Πρόσθετη Ανάγνωση

  1. Riess, A. G., et al. (2016). «Μια Καθορισμός 2,4% της Τοπικής Τιμής της Σταθεράς του Hubble.» The Astrophysical Journal, 826, 56.
  2. Planck Collaboration (2018). "Αποτελέσματα Planck 2018. VI. Κοσμολογικές παράμετροι." Astronomy & Astrophysics, 641, A6.
  3. Freedman, W. L., et al. (2019). «Το Πρόγραμμα Carnegie-Chicago Hubble. VIII. Μια Ανεξάρτητη Καθορισμός της Σταθεράς του Hubble Βασισμένη στην Κορυφή του Κόκκινου Γίγαντα.» The Astrophysical Journal, 882, 34.
  4. Verde, L., Treu, T., & Riess, A. G. (2019). «Τάσεις μεταξύ του πρώιμου και του όψιμου Σύμπαντος.» Nature Astronomy, 3, 891–895.
  5. Knox, L., & Millea, M. (2020). «Οδηγός κυνηγών της σταθεράς του Hubble.» Physics Today, 73, 38.
Επιστροφή στο blog